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氧化铝陶瓷及其烧结X刘 大 成 ( 唐山高等专科学校 063000)摘 要 本文介绍了氧化铝变体、 氧化铝陶瓷的性质和用途 论述了氧化铝陶瓷烧结动力学并分析了影响烧 结的主要因素关键词 氧化铝 陶瓷 烧结 团聚体1 氧化铝的多晶转变氧化铝有许多同质多晶体, 报导过的变体有十多种,但主要的有 A - Al2O3、 B - Al2O3、 C- Al2O3三种晶型 下图 及表1列出了 Al2O3四种变体的情况表1 氧化铝变体情况Table 1 The polymorphism of the alumina变 体结 构稳定性其 它A - Al2O3晶胞为尖的菱 面体, 六方晶系 刚玉结构高温下稳定, 熔 点2050° C结构紧密, 活性低, 密度 为: 3. 96 ～4. 01g/ cm3莫 氏硬度为9B-Al2O3 六方晶格1400 ～1500 ° C 开始分解, 1600 °C转变为A- Al2O3实质上是一种含有碱土 金属和/ 或碱金 属铝酸 盐, 化学组成近为:ROõ 6Al2O3和 R2Oõ11Al2O3, 密度为3. 30～3. 63g/ cm3C - Al2O3 尖晶石型( 立方) 结构高温下不稳定F - Al2O3此晶型即 Li2O3õAl2O3固 溶体表2 氧化铝高温结构陶瓷的主要性能Table 2 The main Properties性 能指 标密 度 g /cm33. 93熔 点 ( °C)2050抗弯强度 (M Pa)509. 9破坏韧性 (M Pam1/ 2)8. 06硬 度 ( 莫氏)9热膨胀系数( ×10- 6° C- 1)RT—1200°C20～500° C 6. 2～7. 520～800°C6. 5～8. 0热导率 ( w/ m. k)25. 2电阻率 ( 8 õcm)105绝缘强度 ( KV/ mm)> 20表3 氧化铝高温结构陶瓷的主要用途Table3 The main uses领 域用 途使用条件( ° C)特殊冶金熔炼纯Pt、 Pd> 1775火箭、 导弹雷达天线保护罩 陀螺仪轴承≥1000 < 800磁流体发电高温高速电离气流通道3000玻璃工业玻璃池室及坩埚1450电炉工业炉膛 高温观测窗1000～2000 1000～1500机械工业刀具, 磨料, 拉丝模, 挤压模等高强度, 耐磨等化学工业化学装置, 热交换器耐磨蚀等医 学人造关节, 人工骨等高强度, 高硬度第34卷第5期1998年10月中 国 陶 瓷CHINA CERAMICSVol. 34No. 5Oct. 1998X收稿日期: 1997- 08- 112 氧化铝陶瓷的性能及用途由于氧化铝陶瓷的性能优越, 故其用途非常广泛。

表 2、 表3分别列出了氧化铝陶瓷的主要性能和主要用途3 氧化铝陶瓷的烧结3.1 氧化铝烧结动力学 3.1. 1 烧结初期动力学 双球模型 △L L0= [5CD3D v2 kT]2/ 5õr- 6/ 5õt2/5(1)式中:K0——两球形颗粒中心距离 △L——烧结后收缩值 C——表面能 r——球形颗粒半径D3——空位体积t——烧结时间 Dv——体积扩散系数 k——波尔兹曼常数 T ——温度 对氧化铝烧结实验结果如图1所示, 可见与动力学公 式相符合图1 Al2O3在烧结初期的线收缩率图2 A—Al2O3恒温烧结时相对密度随时间的变化关系3.1. 2 烧结中期及后期动力学 十四面体模型¹ 烧结中期动力学Pc=32. 4CDvD3l3kT(tf- t)( 2)式中:Pc——烧结中期气孔率Tf——空隙完全消失所需时间l——十四面体模型边长 º 烧结后期动力学Ps=6P DvC D32 l3kT(tf- t)( 3)式中: Ps——烧结后期气孔率 对氧化铝烧结实验结果如图2所示,可见与动力学公 式相符合 3. 2 影响氧化铝烧结的因素影响氧化铝烧结的因素比较多,现就主要影响因素进 行讨论 3. 2. 1 粉碎效应的影响 将原料粉碎时, 由于机械力作功, 不仅颗粒表面发生 变化, 而且内部结构也产生局部变形, 成为高能的活性状 态。

原料粉碎的颗粒越细, 体系的能量越高,烧结的推动力就越大,越有利于烧结 3. 2. 2 粉体团聚的影响 对于粉体来说,颗粒越细, 越有利于烧结, 这已在上面 进行了论述,但是, 颗粒越细越容易出现粉体的团聚 此对 烧结有很大影响 细颗粒原料粉末由于范德华力和键合的作用力,产生粉体团聚 粉体团聚可用“ 团聚系数” ——AF ( 50) 来表示AF( 50) =中等尺寸团聚体的直径 微粒的等价球直径 AF( 50) 越大, 说明粉料中团聚现象越严重 AF( 50) = 1说明粉料几乎没有团聚体 在Al2O3粉体中掺入微量NiO, 团聚系数AF( 50) 为26、 8、 3, 素坯在1735° C、 氧化气氛中烧结6小时, 其相对密 度分别为54. 5%、 81. 1% 、 93. 2% 可见, 在含有团聚体的材料烧结时, 由于团聚体内部 颗粒之间距离较小, 故其内部的微粒之间优先烧结, 而在 团聚体周围的微粒同时正常地烧结,它与团聚体晶粒形成 了大小不一的非均匀的显微组织, 大气孔存在于晶界上及晶粒内,既使再进一步烧结,这些气孔也无法排除, 相反会 引起二次重结晶 为此, 团聚体的消除是影响氧化铝烧结 的一个关键问题,通常采用加入适当的分散剂、 增加粉体 的均匀性、 选择适当的粉体加工方法等,以减弱或消除颗 粒之间的作用力, 从而减弱或消除粉体团聚体。

3. 2. 3 添加物的影响 由于氧化铝的熔点很高, 极难烧结,若加入某种添加 物, 则可以改善烧结性能, 促进烧结 ¹ 氧化铝与添加物形成固溶体, 可活化晶格, 促进烧 结 在氧化铝中加入3% 的氧化铬, 它们之间形成置换固·14·中 国 陶 瓷1998年第5期溶体Cr2O3→Al2O3 2CrAl×+ 3Oo×此时可以在1860°C烧结在氧化铝中加入3% TiO2它们之间形成缺位固溶体3TiO2→Al2O3 3TiAl+ V′″Al+ 6Oo×只需在1600°C即可烧结致密化 º 氧化铝与添加物作用产生液相,促进烧结 在氧化铝中加入SiO2和CaO混合添加物时, 由于形 成CaO-Al2O3-SiO2玻璃, 在较低的温度下产生液相, 从 而促进颗粒重排和传质过程, 使烧结温度降到1500°C 有效地加速烧结的进行 » 添加物可以抑制晶粒异常长大,促进烧结 氧化铝烧结后期晶粒长大, 对烧结致密化有重要作 用,但晶粒的过快长大——即二次重结晶会使晶粒变粗, 晶界变宽, 出现反致密化现象, 并影响制品的显微组织结 构 MgO 加入到 Al2O3中,由于形成镁铝尖晶石分布于氧 化铝颗粒之间,抑制了晶粒异常长大, 并促使气孔的排出。

故可促进致密化, 获得致密氧化铝透明陶瓷ZrO2粒子加入到Al2O3中, 研究表明( 实验结果见图 3、 图4) , 由于 ZrO2被分散到 Al2O3晶界上, 它可以有效地 抑制 Al2O3晶粒长大, Al2O3晶粒尺寸 D 与分散相 ZrO2粒 子半径r 比值是分散相 ZrO2体积分数的函数, 即 D/r= f (v) ( v 是分散相 ZrO2的体积分数) 当 ZrO2加入量一定 时,D/r 为一常数, 它不依赖于烧结温度, 且ZrO2粒子加入 量增加时,D/r 比值下降; ZrO2加入量一定时,r 越小,则 D 越小 可见, 有效地抑制 Al2O3晶粒长大, 促进烧结的进 行,添加物 ZrO2的加入量要多、 粒度要小图3 1600° C纯 Al2O3和分散 ZrO2的 Al2O3陶瓷晶粒生长的比较关于添加物对烧结的影响问题, 要在保证氧化铝陶瓷性能的前提下,注意适当选择添加物的种类、 数量和颗粒 细度, 做到添加物数量尽量多、 颗粒尽量细并且均匀, 否则会起到相反作用, 降低氧化铝陶瓷的性能 3. 2. 4 气氛的影响 气氛对氧化铝烧结影响很大, 合适的气氛将有助于致 密化。

在氧化气氛下, 由于氧被烧结物表面吸附或发生化 学作用,使晶体表面形成正离子缺位型的非化学计量化合 物, 正离子空位增加, 同时使闭气孔中的氧可以直接进入晶格, 并和氧离子空位一样沿表面进行扩散, 扩散和烧结 加速, 当烧结由正离子扩散控制时, 氧化气氛或氧分压较 高则有利于正离子空位形成,促进烧结,对负离子扩散控 制时, 还原气氛或较低的氧分压将导致氧离子空位产生并 促进烧结 在氢气氛下烧结, 由于氢原子半径很小, 易于扩散而 有利于闭气孔消除 在氧化铝中添加0. 25%的氧化镁, 氢 气氛下烧结可得到近于理论密度的烧结体图4 Al2O3晶粒尺寸和 ZrO2分散粒子半径的比值与烧结时间的关系关于烧结气氛的选择,要多方面进行考虑, 得出最为 合适的烧结气氛4 结 语氧化铝陶瓷性能优良,广泛应用于各个行业, 但其性 能主要取决于烧结 随着材料科学的发展, 对氧化铝陶瓷 烧结的研究,尤其是氧化铝粉体及添加物对烧结的影响将 更加深入 氧化铝陶瓷的应用也将更加广泛参考文献1 浙江大学等四院校合编, 硅酸盐物理化学, 中国建筑工业出版社,1980.2 王零森, 特种陶瓷, 中南工业大学出版社, 19943 刘大成, 中国陶瓷,Vol. 32No. 2, 34- 36.4 崔国文, 缺陷、 扩散与烧结, 清华大学出版社,1990.5 K.Okada and T.Sakuma British Ceramic T ransactions,Vol. 93No. 2 71- 74.·15·第34卷第5期刘大成 氧化铝陶瓷及其烧结。